C++在同一對象中存儲左值或右值的方法
一、背景
C++ 代碼似乎經(jīng)常出現(xiàn)一個問題：如果該值可以來自左值或右值，則對象如何跟蹤該值？即如果保留該值作為引用，那么就無法綁定到臨時對象。如果將其保留為一個值，那么當它從左值初始化時，會產(chǎn)生不必要的副本。
有幾種方法可以應對這種情況。使用std::variant提供了一個很好的折衷方案來獲得有表現(xiàn)力的代碼。
二、跟蹤值
假設有一個類MyClass。想讓MyClass訪問某個std::string。如何表示MyClass內(nèi)部的字符串？
有兩種選擇：
- 將其存儲為引用。
- 將其存儲為副本。
2.1、存儲引用
如果將其存儲為引用，例如const引用：
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(std::string const& s) : s_(s) {}
void print() const
{
std::cout << s_ << '\n';
}
private:
std::string const& s_;
};
則可以用一個左值初始化我們的引用：
std::string s = "hello";
MyClass myObject{s};
myObject.print();
看起來很不錯。但是，如果想用右值初始化我們的對象呢？例如：
MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();
或者這樣的代碼：
std::string getString(); // function declaration returning by value
MyClass myObject{getString()};
myObject.print();
那么代碼具有未定義的行為。原因是，臨時字符串對象在創(chuàng)建它的同一條語句中被銷毀。當調用print時，字符串已經(jīng)被破壞，使用它是非法的，并導致未定義的行為。
為了說明這一點，如果將std::string替換為類型X，并且在X的析構函數(shù)打印日志：
struct X
{
~X() { std::cout << "X destroyed" << '\n';}
};
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(X const& x) : x_(x) {}
void print() const
{
// using x_;
}
private:
X const& x_;
};
在調用的地方也打印日志：
MyClass myObject(X{});
std::cout << "before print" << '\n';
myObject.print();
輸出：
X destroyed before print
可以看到，在嘗試使用之前，這個X已經(jīng)被破壞了。
完整示例：
#include <iostream>
#include <string>
struct X
{
~X() { std::cout << "X destroyed" << '\n';}
};
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(X const& x) : x_(x) {}
void print()
{
(void) x_; // using x_;
}
private:
X const& x_;
};
int main()
{
MyClass myObject(X{});
std::cout << "before print" << '\n';
myObject.print();
}
2.2、存儲值
另一種選擇是存儲一個值。這允許使用move語義將傳入的臨時值移動到存儲值中：
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(std::string s) : s_(std::move(s)) {}
void print() const
{
std::cout << s_ << '\n';
}
private:
std::string s_;
};
現(xiàn)在調用它：
MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();
產(chǎn)生兩次移動(一次構造s，一次構造s_)，并且沒有未定義的行為。實際上，即使臨時對象被銷毀，print也會使用類內(nèi)部的實例。
不幸的是，如果帶著左值返回到第一個調用點：
std::string s = "hello";
MyClass myObject{s};
myObject.print();
那么就不再做兩次移動了：做了一次復制(構造s)和一次移動(構造s_)。
更重要的是，我們的目的是給MyClass訪問字符串的權限，如果做一個拷貝，就有了一個不同于進來的實例。所以它們不會同步。
對于臨時對象來說，這不是問題，因為它無論如何都會被銷毀，并且我們在之前將它移了進來，所以仍然可以訪問字符串。但是通過復制，我們不再給MyClass訪問傳入字符串的權限。
所以存儲一個值也不是一個好的解決方案。
三、存儲variant
存儲引用不是一個好的解決方案，存儲值也不是一個好的解決方案。我們想做的是，如果引用是從左值初始化的，則存儲引用；如果引用是從右值初始化的，則存儲引用。
但是數(shù)據(jù)成員只能是一種類型：值或引用，對嗎?
但是，對于std::variant，它可以是任意一個。不過，如果嘗試在一個變量中存儲引用，就像這樣：
std::variant<std::string, std::string const&>
將得到一個編譯錯誤：
variant must have no reference alternative
為了達到我們的目的，需要將引用放在另一個類型中；即必須編寫特定的代碼來處理數(shù)據(jù)成員。如果為std::string編寫這樣的代碼，則不能將其用于其他類型。
在這一點上，最好以通用的方式編寫代碼。
四、通用存儲類
存儲需要是一個值或一個引用。既然現(xiàn)在是為通用目的編寫這段代碼，那么也可以允許非const引用。由于變量不能直接保存引用，那么可以將它們存儲到包裝器中:
template<typename T>
struct NonConstReference
{
T& value_;
explicit NonConstReference(T& value) : value_(value){};
};
template<typename T>
struct ConstReference
{
T const& value_;
explicit ConstReference(T const& value) : value_(value){};
};
template<typename T>
struct Value
{
T value_;
explicit Value(T&& value) : value_(std::move(value)) {}
};
將存儲定義為這兩種情況之一：
template<typename T> using Storage = std::variant<Value<T>, ConstReference<T>, NonConstReference<T>>;
現(xiàn)在需要通過提供引用來訪問變量的底層值。創(chuàng)建了兩種類型的訪問:一種是const，另一種是非const。
4.1、定義const訪問
要定義const訪問，需要使變量內(nèi)部的三種可能類型中的每一種都產(chǎn)生一個const引用。
為了訪問變量中的數(shù)據(jù)，將使用std::visit和規(guī)范的overload 模式，這可以在c++ 17中實現(xiàn)：
template<typename... Functions>
struct overload : Functions...
{
using Functions::operator()...;
overload(Functions... functions) : Functions(functions)... {}
};
要獲得const引用，只需為每種variant創(chuàng)建一個：
template<typename T>
T const& getConstReference(Storage<T> const& storage)
{
return std::visit(
overload(
[](Value<T> const& value) -> T const& { return value.value_; },
[](NonConstReference<T> const& value) -> T const& { return value.value_; },
[](ConstReference<T> const& value) -> T const& { return value.value_; }
),
storage
);
}
4.2、定義非const訪問
非const引用的創(chuàng)建使用相同的技術，除了variant是ConstReference之外，它不能產(chǎn)生非const引用。然而，當std::visit訪問一個變量時，必須為它的每一個可能的類型編寫代碼：
template<typename T>
T& getReference(Storage<T>& storage)
{
return std::visit(
overload(
[](Value<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](NonConstReference<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](ConstReference<T>& ) -> T&. { /* code handling the error! */ }
),
storage
);
}
進一步優(yōu)化，拋出一個異常：
struct NonConstReferenceFromReference : public std::runtime_error
{
explicit NonConstReferenceFromReference(std::string const& what) : std::runtime_error{what} {}
};
template<typename T>
T& getReference(Storage<T>& storage)
{
return std::visit(
overload(
[](Value<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](NonConstReference<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](ConstReference<T>& ) -> T& { throw NonConstReferenceFromReference{"Cannot get a non const reference from a const reference"} ; }
),
storage
);
}
五、創(chuàng)建存儲
已經(jīng)定義了存儲類，可以在示例中使用它來訪問傳入的std::string，而不管它的值類別:
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(std::string& value) : storage_(NonConstReference(value)){}
explicit MyClass(std::string const& value) : storage_(ConstReference(value)){}
explicit MyClass(std::string&& value) : storage_(Value(std::move(value))){}
void print() const
{
std::cout << getConstReference(storage_) << '\n';
}
private:
Storage<std::string> storage_;
};
（1）調用時帶左值：
std::string s = "hello";
MyClass myObject{s};
myObject.print();
匹配第一個構造函數(shù)，并在存儲成員內(nèi)部創(chuàng)建一個NonConstReference。當print函數(shù)調用getConstReference時，非const引用被轉換為const引用。
（2）使用臨時值：
MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();
這個函數(shù)匹配第三個構造函數(shù)，并將值移動到存儲中。getConstReference然后將該值的const引用返回給print函數(shù)。
六、總結
variant為c++中跟蹤左值或右值的經(jīng)典問題提供了一種非常適合的解決方案。這種技術的代碼具有表現(xiàn)力，因為std::variant允許表達與我們的意圖非常接近的東西：“根據(jù)上下文，對象可以是引用或值”。
在C++ 17和std::variant之前，解決這個問題很棘手，導致代碼難以正確編寫。隨著語言的發(fā)展，標準庫變得越來越強大，可以用越來越多的表達性代碼來表達我們的意圖。
以上就是C++在同一對象中存儲左值或右值的方法的詳細內(nèi)容，更多關于C++同一對象存儲左值的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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